TOFD，超音波衍射時差法。用於材料缺陷的檢測、定量和定位技術。
基本介紹
- 中文名：超音波衍射時差法
- 外文名：Time Of Flight Diffraction
- 簡稱：TOFD
- 套用範圍：用於材料缺陷的檢測、定量和定位
定義,發展,技術原理,優劣,優點,缺點,方法對比,TOFD技術與傳統脈衝回波技術的主要區別,TOFD技術相比A型脈衝檢測方法的優勢,TOFD技術相比射線探測方法的優勢,型號,
定義
Time Of Flight Diffraction(TOFD)超音波衍射時差法，是一種依靠從待檢試件內部結構（主要是指缺陷）的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法，用於缺陷的檢測、定量和定位。
發展
TOFD技術於20世紀70年代由英國哈威爾的國家無損檢測中心silk博士首先提出，其原理源於silk博士對裂紋尖端衍射信號的研究。在同一時期我國中科院也檢測出了裂紋尖端衍射信號，發展出一套裂紋測高的工藝方法，但並未發展出現在通行的TOFD檢測技術。
衍射現象2
衍射現象2TOFD技術首先是一種檢測方法，但能滿足這種檢測方法要求的儀器卻遲遲未能問世。TOFD要求探頭接收微弱的衍射波時達到足夠的信噪比，儀器可全程記錄A掃波形、形成D掃描圖譜，並且可用解三角形的方法將A掃時間值換算成深度值。而同一時期工業探傷的技術水平沒能達到可滿足這些技術要求的水平。直到20世紀90年代，計算機技術的發展使得數位化超聲探傷儀發展成熟後，研製便攜、成本可接受的TOFD檢測儀才成為可能。
自20世紀90年代，我國開始引進TOFD檢測技術，到2005年，我國中科院武漢中科創新技術股份有限公司研發出國產第一台TOFD專用檢測設備。在TOFD系統的發展過程中，計算機和數位技術的套用起到了決定性的作用。早期的常規超聲檢測使用的都是模擬探傷儀，用橫波斜探頭或縱波直探頭做手動掃查，大多數情況採用單探頭檢測，儀器顯示的是A掃波型，掃查的結果不能被記錄，也無法作為永久的參考數據保存。自二十世紀九十年代起，模擬儀器開始慢慢演變為由計算機控制的數字儀器，隨後數字儀器逐漸完善和複雜化，可以配置探頭陣列，自動掃查裝置，而且能夠記錄和保存所有的掃查數據用於歸檔和分析。
技術原理
衍射現象是TOFD技術採用的基本物理原理。
衍射現象的解釋：波遇到障礙物或小孔後通過散射繼續傳播的現象，根據惠更斯原理，媒質上波陣面上的各點，都可以看成是發射子波的波源，其後任意時刻這些子波的包跡，就是該時刻新的波陣面。
TOFD技術採用一發一收兩個寬頻窄脈衝探頭進行檢測，探頭相對於焊縫中心線對稱布置。發射探頭產生非聚焦縱波波束以一定角度入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面傳播被接收探頭接收，部分波束經底面反射後被探頭接收。接收探頭通過接收缺陷尖端的衍射信號及其時差來確定缺陷的位置和自身高度。
優劣
優點
1）一次掃查幾乎能夠覆蓋整個焊縫區域（除上下表面盲區），可以實現非常高的檢測速度；
2）可靠性要好，對於焊縫中部缺陷檢出率很高；
3）能夠發現各種類型的缺陷，對缺陷的走向不敏感；
4）可以識別向表面延伸的缺陷；
5）採用D-掃描成像，缺陷判讀更加直觀；
6）對缺陷垂直方向的定量和定位非常準確，精度誤差小於1mm；
7）和脈衝反射法相結合時檢測效果更好，覆蓋率100%；
缺點
1）近表面存在盲區，對該區域檢測可靠性不夠
2）對缺陷定性比較困難
3）對圖像判讀需要豐富經驗
4）橫向缺陷檢出比較困難
5）對粗晶材料，檢出比較困難
6）對複雜幾何形狀的工件比較難測量
7）不適合於T型焊縫檢測
方法對比
TOFD技術與傳統脈衝回波技術的主要區別
A) 更加精確的尺寸測量精度(一般為±1mm，當監測狀態為±0.3mm)，且檢測時與缺陷的角度幾乎無關。尺寸測量是基於衍射信號的傳播時間而不依賴于波幅。
B) TOFD技術不使用簡單的波幅閾值作為報告缺陷與否的標準。由於衍射信號的波幅並不依賴於缺陷尺寸，在任何缺陷可能被判不合格之前所有數據必須經過分析，因此培訓和經驗對於TOFD技術的套用是極為基本的要求。
TOFD技術相比A型脈衝檢測方法的優勢
1)TOFD技術的可靠性好。由於其主要是利用衍射波進行檢測，而衍射信號不受聲束影響，任何方向的缺陷都能有效的發現，使該技術具有很高的缺陷檢出率。國外研究機構的缺陷檢出率的試驗得出的評價是：手工UT，50-70%；TOFD，70-90%；機械掃查UT+TOFD，80-95%。由此可見，TOFD檢測技術比常規手工UT的檢測可靠性要高得多。
2）TOFD技術的定量精度高。採用衍射時差技術對缺陷定量，精度遠遠高於常規手工超音波檢測。一般認為，對線性缺陷或面積型缺陷，TOFD定量誤差小於1mm。對裂紋和未熔合缺陷高度測量誤差通常只有零點幾毫米。
3）TOFD檢測簡單快捷，最常用的非平行掃查只需一人即可以操作，探頭只需沿焊縫兩側移動即可，不需做鋸齒掃查，檢測效率高，操作成本低
4）TOFD檢測系統配有自動或半自動掃查裝置，能夠確定缺陷與探頭的相對位置，信號通過處理可以轉換為TOFD圖像。圖像的信息量顯示比A掃描顯示大得多，在A型顯示中，螢幕只能顯示一條A掃信號，而TOFD圖像顯示的是一條焊縫檢測的大量A掃信號的集合。與A型信號的波形顯示相比，包含豐富信息的TOFD圖像更有利於缺陷的識別和分析。
6）TOFD技術除了用於檢測外，還可用於缺陷擴展的監控，是有效且能精確測量出裂紋增長的方法之一。
7）TOFD能對缺陷深度位置進行精確定位，對缺陷自身高度進行定量．
8）由於缺陷衍射信號與角度無關，檢測可靠性和精度不受角度影響。
9）根據衍射信號傳播時差確定衍射點位置，缺陷定量定位不依靠信號振幅。
10）檢測數據可以供多人線上進行判讀，提高檢測結果判斷的準確性
TOFD技術相比射線探測方法的優勢
1）TOFD檢測結果與射線檢測結果都是以二維圖像顯示，不同的是TOFD能對缺陷的深度和自身高度進行精確測量，而射線檢測的圖像是在射線透照方向上的影像重疊，只能顯示缺陷的長度和寬度，無法確定缺陷在射線透照方向上的具體位置（即深度）和自身高度，不便於對缺陷的返修和進行其他判斷。
2）TOFD技術可探測的厚度大，對厚板探傷的效果比較明顯，但射線對厚板的穿透能力非常有限。
3）TOFD技術檢測缺陷的能力非常強，特殊的探傷方式使其具有相當高的檢出率，約90%左右，而相比之下，射線檢測的檢出率稍低，大約75%，在實際工作中，我們也發現有TOFD檢測出來的缺陷，X射線未能發現的情況，這給質量控制帶來了極大的隱患。
TOFD檢測波形圖
TOFD檢測波形圖4）TOFD技術所採集的是數據信息，能夠進行多方位分析，甚至可以對缺陷進行立體復原。這是因為TOFD技術是將掃查中所有的原始信號都進行了保存，在脫機分析中我們可以利用計算機對這些原始信號進行各種各樣的分析，以得出更加精確的缺陷判斷結果；而射線檢測只能將射線底片置於觀片燈前進行分析，不可以再進一步利用軟體對缺陷進行更加全面的分析。
5）TOFD檢測操作簡單，掃查速度快，檢測效率高；而射線檢測過程繁瑣，耗時長，效率低下。
6）TOFD技術是利用超音波進行探傷，對檢測時的工作環境沒有特殊的要求。超音波檢測是一種環保的檢測方式，對使用人員沒有任何傷害，所以在工作場合不需要特殊的安全保護措施；而射線檢測因其放射的危害性受到國家政策的嚴格控制，現場只能單工種工作，降低了檢測工作效率，阻礙了整個工程進度。
7）TOFD檢測成本低，重複成本少；而射線檢測，建造暗室需要較高的投入，平時工作中的耗材成本重複發生，綜合成本相對較高
型號
國外製造商：
Phasor XS 、USM Vision（GE美國通用電氣）
ISONIC系列（以色列SONOTRONNDT）
OMniScan MX系列（日本奧林巴斯）
PocketUT(美國物理聲學)
國內自主研發：
南通友聯PXUT-900系列 （南通友聯數位技術開發有限公司）
北極星辰BSN800系列 （北京北極星辰科技有限公司）
漢威HS 810系列（中科院武漢中科創新技術股份有限公司）
